地铁盾构下穿建筑群施工地面建筑沉降控制方案及富水砂-黏地层沉降预测方法*

2023-02-13陈志敏范长海张常书

城市轨道交通研究 2023年1期

陈志敏范长海张常书

(1.兰州交通大学土木工程学院，730070，兰州；2.兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，730070，兰州；3.中铁十八局集团有限公司，300222，天津∥第一作者，教授)

由地铁穿越城市既有建筑群引发的地面不均匀沉降问题，已成为我国城市轨道交通发展的重点问题。文献[1]基于北京地铁盾构隧道下穿地铁隧道工程，对地面建筑物沉降规律及控制沉降的盾构施工参数展开研究。文献[2]探究盾构隧道穿越富水软弱地层时建筑物桩基沉降规律及加固方案的有效性。文献[3]针对富水风化花岗岩隧道围岩力学特性与变形机制，提出可行性加固措施。

目前，大多数研究都集中于盾构隧道下穿地面建筑物或既有隧道等工况下的单一地层沉降与控制，而广州地铁某区间隧道主要穿越富水砾砂、粉质黏土及全风化-微风化花岗岩等复合地层(以下简称“复合地层”)。在此类特殊地层中，关于盾构施工对建筑物桩基及基础沉降变形的影响规律，尚且缺乏系统性的研究成果。故本文以广州地铁盾构隧道工程为例，就该特殊地层及建筑物基础沉降控制措施展开研究，以确保地面建筑物群能够保持正常使用功能。本研究可为类似工程提供理论基础与工程经验。

1 工程概况与地层-建筑物有限元模型

1.1 工程概况

广州地铁某区间隧道呈东西走向，上行线和下行线横穿水西村，下穿建筑群段的上行线和下行线埋深为10.3～18.1 m。隧道上行线ZDK 20+232.4—ZDK 20+370.4，长为138.0 m；下行线 YDK 20+259.0—YDK 20+394.3，长为135.3 m。隧道洞身全部位于地下水位线以下，主要穿过富水砾砂、粉质黏土及全风化-微风化花岗岩带等复合地层，局部穿越软土地层、砂层以及软硬不均的特殊地层，上行线和下行线地质差异不大。各地层物理力学参数和衬砌结构参数如表1所示。线路区间隧道将下穿密集排列的3～8层既有楼，以及少量10～15层的较高建筑。地面建筑分布图如图1所示。

表1 各地层物理力学参数和衬砌结构参数

图1 地面建筑分布图Fig.1 Distribution diagram of surface buildings

1.2 确定计算模型

依据MIDAS GTS NX软件进行分析计算，建筑隧道内径为5 400 mm，采用单层平板式钢筋混凝土管片，摩尔-库伦作为土体本构模型。桩、柱与土单元之间设置节点耦合，以实现基础与地层的相互作用。

1.3 盾构掘进过程模拟

隧道在DK 20+358.4处下穿高层建筑群且埋深最浅(见图1)，故对该里程周围地层作施工模拟。对模型边界添加横向、竖向约束，对初始开挖面施加水平约束。模型整体结构如图2所示。区间隧道下穿地面建筑物盾构推进时，根据现场盾构出渣情况与地面沉隆监测数据，动态调整掘进施工参数。盾构参数范围如表2所示。

图2 整体结构图Fig.2 Diagram of overall structure

表2 盾构参数范围Tab.2 Range of shield parameters

2 模拟结果的沉隆分析

2.1 建筑结构沉隆分析

隧道掘进完成后，整体模型结构各部位沉隆示意图如图3所示。由图3可知，区间隧道盾构掘进完成后，整体最大沉降量为71.80 mm；最大隆起量发生在隧道底部，为20.99 mm。建筑1(8层建筑)的最大不均匀沉降为20.00 mm，建筑2(15层建筑)的最大不均匀沉降为56.10 mm。根据现场对建筑物的沉降控制标准(标准值为30.00 mm，报警值为20.00 mm)，建筑1和建筑2部分结构的不均匀沉降已超过项目沉降标准。

2.2 建筑基础变形分析

由图3 c)可知，隧道掘进导致整体地层形成明显沉降槽，其中建筑物基础与地面区域最为突出，周围地层发生轻微隆起。这主要是由于建筑2的桩基持力层最大沉降量为62.20 mm，建筑1的桩基持力层最大沉降量比建筑2小26.10 mm。盾构施工对建筑1和建筑2的桩基持力层的稳定性产生了较大的破坏，相比于下行线，上行线上部建筑物对地层的荷载作用更大，使富水砂砾、粉质黏土等软弱土层产生了显著沉降，进而导致建筑物与上方地层的不均匀沉降。因此，有必要对建筑物桩基持力层进行加固处理。

图3 整体模型结构各部位沉隆示意图Fig.3 Subsidence and heave diagram in various parts of the overall model structure

3 沉降控制方案比选

由于盾构施工穿越的复合地层结构松散、可塑性差，且花岗岩存在不同程度的破碎、整体性不良等特点，结合盾构机机械特性，采用改进的线间注浆加固方案对开挖洞室上方和下方地层进行加固处理。针对盾构掘进完成后建筑1和建筑2基础部分与建筑物桩基持力层的不均匀沉降，可利用筏板结构的整体力学特性加固处理建筑基础，以提高其安全性与稳定性。

3.1 线间注浆加固方案

前盾盾体设置4个直径为50 mm的径向孔，通过径向孔向盾体2～3 m范围内的地层加压注入膨润土液浆，对地层进行加固处理。线间注浆加固方案如图4所示。注浆材料选用膨润土-水泥液浆，水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥。在保证水泥-水玻璃双液浆适宜流动性的同时，应控制初凝时间为3～4 h。

图4 线间注浆加固方案Fig.4 Inter-line grouting reinforcement scheme

3.2 筏板结构注浆加固方案

对建筑物下部施加厚度为0.7 m的钢筋混凝土筏板，其保护层厚度为 20 mm，采用 C35 混凝土。同时，对筏板下部粉质黏土层及砾砂等富水软弱夹层进行注浆加固，厚度为0.2 m。筏板结构注浆加固方案如图5所示。

图5 筏板结构注浆加固方案Fig.5 Grouting reinforcement scheme for raft structure

4 加固方案沉降控制效果分析

隧道周围地层经线间注浆加固和筏板结构加固后的建筑物沉隆变形情况如图6和图7所示。

由图6 a)—图6 c)可知，在筏板结构加固工况下，建筑物出现整体性沉降变形，建筑1和建筑2邻近部位的最大沉降量为27.50 mm，超过了项目规定值，两者的最小沉降量为10.10 mm。筏板结构与桩基持力层沉降趋势基本一致，沉降变形更为集中化，其沉降量随建筑1和建筑2相邻区域距离的增大而逐渐减小。筏板结构在左右侧高层建筑的差异荷载作用下，变形量自顶板区域向外侧区域逐渐扩散、衰减，与非建筑区域沉降量存在较大差异，最大沉降量差值达到了15.00 mm。左侧区域的较大荷载导致左侧区域的沉降量明显大于右侧区域的沉降量，可能会引起建筑结构的倾覆破坏。因此，筏板结构注浆加固方案在该工程项目中是不可行的。

由图7 a)—图7 c)可知，相比于未加固工况，在线间注浆加固方案下，建筑物各部位的沉降量降低了一个数量级，建筑1和建筑2的整体沉降量为1.00～7.00 mm，两建筑相邻区域的沉降变形为6.30 mm左右，小于控制标准值。该方案通过对隧

图7 线间注浆加固工况下的建筑物沉隆示意图Fig.7 Schematic diagram of building subsidence and heave under inter-line grouting reinforcement working condition

道四周松散地层进行注浆加固，将加固区的最大沉降和隆起变形均控制在10 mm以内，保证了桩基持力层的稳定性，降低了盾构掘进工法对地层扰动变形的影响。通过对比分析可知，线间注浆加固方案更适用于盾构施工时该类复合地层中的沉隆控制。

5 富水砂-黏地层沉降预测方法

地层沉降经验公式为：

S=Smaxexp(-x2/2i2)

(1)

(2)

i=kh

(3)

式中：

S——地面上任意处沉降量，mm；

Smax——地面沉降最大量，mm；

x——开挖隧道中线距计算点的横向距离，mm；

i——沉降槽宽度，mm；

D——隧道直径，mm；

h——隧道埋深，mm；

k——沉降槽宽度系数，取为0.76；

Vi——地层损失率，取为2%。

根据式(1)和式(2)，以及数值模拟法[4-6]，结合现场试验段所得地层沉降量进行对比分析，探究经验公式法对于富水砂-黏地层沉降规律预测的适用性。

上行线和下行线隧道开挖时的地层沉降结果如图8所示。由图8可知，上行线和下行线隧道施工完成后，由经验公式计算所得的0 m地面、-8 m地层的沉降值和数值模拟的结果均关于隧道中线呈正态分布。在隧道中线处，沉降量达到最大值，且随着与隧道中线距离的增大,沉降量逐渐减小，在1.5D范围处沉降变形趋于稳定。监测断面各点沉降数据相对零散，但大体遵循正态分布走向。经验公式忽略了施工中的众多因素，所得地层沉降量处于数值模拟结果和监测数据之间，与两者分别相差约10.00 mm，与后者吻合程度较高。因此，经验公式法可应用于此种地质条件中由盾构隧道施工引起的地层沉降预测。